トポロジカル超伝導体・超流動体のエッジ状態についての解析的理論研究

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24840048
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 堤 康雅 独立行政法人理化学研究所, 古崎物性理論研究室, 基礎科学特別研究員 (10631781)
• Project Period (FY): 2012-08-31 – 2014-03-31
• Keywords: 物性理論 / トポロジカル超伝導・超流動 / エッジ状態 / マヨラナフェルミオン / エッジカレント

Research Abstract

微視的理論に基づくGor'kov方程式に準古典近似を行うことで得られる準古典グリーン関数の従うEilenberger方程式を解くことで、トポロジカル超伝導体・超流動体のエッジ状態を明らかにした。
1. 重い電子系超伝導体UPt3のB相がトポロジカル超伝導体としての性質を示すことを明らかにした。エッジ状態に束縛された準粒子の分散関係を解析計算により導出することで、束縛された準粒子がマヨラナフェルミオンでありフェルミエネルギーを横切る線形分散を持つことを示した。このため、エッジでのみ超伝導ギャップ内にトポロジカルフェルミアークとして有限な準粒子状態密度が現れる。マヨラナフェルミオンの性質から、このトポロジカルフェルミアークは特定方向の磁場に対してのみ消失する異方的な磁場応答を示すので、磁場中のトンネル分光でのゼロバイアス伝導率の現象としてマヨラナフェルミオンを観測可能であることを提案した。
2. トポロジカルなカイラル超流動体である超流動ヘリウム３-A相のカイラルドメインにおける質量流の向きが、クーパー対の角運動量から期待される向きとは逆向きになる昨年度明らかにした現象について詳細な解析を行った。その結果、カイラルドメインウォールに束縛された準粒子が有限な運動量を持つときにフェルミエネルギーを横切るため、エッジ状態によって運動量が運ばれるスペクトラルフローと呼ばれる現象が、質量流の向きの逆転の原因であることが明らかとなった。
3. 超流動ヘリウム３-A相のカイラリティが不純物による準粒子散乱の異方性として観測されることを示した。実際に超流動ヘリウム３-A相中に入射した電子が異方的な散乱を受けることが観測され、カイラリティが初めて直接観測されたと言える。カイラリティの存在はトポロジカル超流動体であることの決定的な証拠となる。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Mass Current at a Domain Wall in Superfluid ^3He A-Phase (2014)
  • Author(s): Y. Tsutsumi
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 176 Pages: 51-55
  • DOI: 10.1007/s10909-013-0968-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] UPt3 as a Topological Crystalline Superconductor (2013)
  • Author(s): Y. Tsutsumi, M. Ishikawa, T. Kawakami, T. Mizushima, M. Sato, M. Ichioka, and K. Machida
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 113707-1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.113707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chiral Symmetry Breaking in Superfluid ^3He-A (2013)
  • Author(s): H. Ikegami, Y. Tsutsumi, and K. Kono
  • Journal Title: Science Volume: 341 Pages: 59-62
  • DOI: 10.1126/science.1236509
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Topological Vortex Bound State in Superfluid 3He B-Phase (2014)
  • Author(s): Y. Tsutsumi, T. Kawakami, K. Shiozaki, M. Sato, and K. Machida
  • Organizer: The 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • Place of Presentation: Buenos Aires (Argentina)
  • Year and Date: 20140806-20140813
• [Presentation] 超流動ヘリウム３-B相の量子渦束縛状態とトポロジー (2014)
  • Author(s): 堤康雅、川上拓人、塩崎謙、佐藤昌利、町田一成
  • Organizer: 物性研短期研究会「スーパーマターが拓く新量子現象」
  • Place of Presentation: 東京大学物性研究所 (千葉県)
  • Year and Date: 20140417-20140419
• [Presentation] 超流動ヘリウム３-A相のカイラルドメインにおける質量流 (2014)
  • Author(s): 堤康雅
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] Topological mass current on a domain wall in superfluid 3He A-phase (2014)
  • Author(s): Y. Tsutsumi
  • Organizer: APS March Meeting 2014
  • Place of Presentation: Denver (USA)
  • Year and Date: 20140303-20140307
• [Presentation] UPt3 as a Topological Crystalline Superconductor (2013)
  • Author(s): 堤康雅、石川昌樹、川上拓人、水島健、佐藤昌利、市岡優典、町田一成
  • Organizer: 「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第４回領域研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20131219-20131221
• [Presentation] UPt3 as a Topological Crystalline Superconductor (2013)
  • Author(s): Y. Tsutsumi, M. Ishikawa, T. Kawakami, T. Mizushima, M. Sato, M. Ichioka, and K. Machida
  • Organizer: International Workshop for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
  • Place of Presentation: カルチャーリゾートフェストーネ (沖縄県)
  • Year and Date: 20131022-20131026
• [Presentation] UPt3 as a Topological Superconductor (2013)
  • Author(s): Y. Tsutsumi, M. Ishikawa, T. Kawakami, T. Mizushima, M. Sato, M. Ichioka, and K. Machida
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES 2013)
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 20130805-09
• [Presentation] Mass Current at a Domain Wall in Superfluid 3He A-Phase (2013)
  • Author(s): Y. Tsutsumi
  • Organizer: International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2013)
  • Place of Presentation: くにびきメッセ (島根県)
  • Year and Date: 20130801-20130806